使用波长可调谐激光器的精密定位系统技术方案

一种用于确定测试腔的特性的方法，该方法包括对于可调谐激光器的带宽内的多个光频率中的每个，测量来自测试腔的干涉信号和具有已知特性的参考腔。该方法包括根据来自参考腔的测量干涉信号和参考腔的已知特性确定多个光频率的值，并使用所确定的多个光频率值确定测试腔的特性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用波长可调谐激光器的精密定位系统本申请要求第62/347,141号美国临时专利申请的优先权日的权益，该临时专利申请根据美国专利法第119条(35USC§119)于2016年6月8日提交、题为“使用波长可调谐激光器的精确定位系统”。该临时专利申请的全部内容通过引用并入本文。
技术介绍
医疗和工业市场对光学相干断层扫描(OCT)不断增长的需求推动了高速的、可广泛调谐的窄线宽半导体激光器的前所未有的进步。这些新设备为工业距离测量应用呈现了独特的促成技术。干涉测量(interferometry)是距离测量的有用工具，因为测量精度的唯一基本限制是光子统计。LIGO干涉仪是以干涉测量法可以小心地(并且用很多钱)达到的精确度的一个很好的示例，其提供小于10-6pm/Hz1/2的位移噪声密度的灵敏度。然而，在实际工业应用中，由于诸如环境或电子噪声之类的其他效应或所采用的测量/处理技术，测量精度通常会受到限制。通常在OCT中使用的三种测量技术包括时域OCT(TD-OCT)和谱域(spectraldomain)技术，所述谱域技术包括傅立叶域OCT和扫描源OCT(SS-OCT)。在TD-OCT中，通过移动干涉仪中的参考镜来生成来自宽谱源(spectrallybroadsource)的干涉信号。在FD-OCT中，利用光谱仪观察宽谱源的各种光谱分量的干涉。在SS-OCT中，使用可调谐激光器在宽光谱的高速扫描期间快速采样干涉。高速扫描可以包括在不同的离散频率下或贯穿连续频率的持续扫描的一系列测量。在具有不同的离散频率的阶梯式激光器的情况下，每个“阶梯”可以对应于产生不同光频率的一种新的激光模式。谱域技术已被证明比时域技术具有更高的灵敏度，因为该技术能够在整个采集时间内从所有样本深度收集信号。此优点与用于确定绝对波长的方法和基于物理模型的分析相结合，为工业距离测量应用提供了显著改进的距离测量。
技术实现思路
本文描述了使用扫描波长激光器实现超高精度距离测量干涉仪(DMI)的特征的系统和方法。简言之，对于可调谐激光器的带宽内的多个光频率中的每个，照射具有绝对已知特性的一个或多个固定的参考腔和具有未知特性的一个或多个测试腔，以产生来自每个腔的干涉信号。来自参考腔的干涉信号被拟合到干涉的物理模型，以评估在多个光频率中的每个处的光频率的值的。使用导出的光频率，来自未知测试腔的干涉信号被拟合到其干涉的数学模型，以评估测试腔的未知特性。在一个方面，一种用于确定测试腔的特性的方法，该方法包括，对于可调谐激光器的带宽内的多个光频率中的每个，测量来自测试腔和具有已知特性的参考腔的干涉信号。该方法包括根据测量的参考腔的干涉信号和参考腔的已知特性确定多个光频率的值，并使用确定的多个光频率的值确定测试腔的特性。实现可以包括以下特征中的一个或多个。测量干涉信号可以包括贯穿扫描作为时间的函数的可调谐激光器的带宽内的多个光频率，以及对于扫描期间的多个不同时间中的每个测量测试腔和参考腔两者的干涉信号，使得在多个不同时间中的每个处所测量的测试腔和参考腔的信号对应于可调谐激光器的带宽内的多个光频率中的不同光频率。该方法还可以包括测量来自具有第二已知特性的第二参考腔的干涉信号。确定多个光频率的值可以包括基于已知的参考腔和第二参考腔的特性，将对于可调谐激光器的带宽内的多个光频率中的每个获得的参考腔和第二参考腔的测量的干涉信号拟合到数学模型。参考腔和第二参考腔可以具有不同的间隙尺寸。拟合测量的参考腔和第二参考腔的干涉信号可以包括使用干涉信号的回归分析到数学模型以确定多个光频率的值。数学模型可以包括分析函数。确定多个光频率的值可以包括使用高斯-牛顿(Gauss-Newton)优化。确定多个光频率的值可以包括使用高斯-牛顿优化，并且基于分析函数确定关于光频率的测量干涉信号的偏导数的雅可比行列式(Jacobian)。确定多个光频率的值可以基于多个光频率的初始估计。可以使用单个参考腔，并且可以知道多个光频率在参考腔的自由光谱范围的一半以内。可以减小由多个光频率的值的不确定性引起的确定的测试腔的特性的误差。该特性可以包括测试腔内的间隙尺寸，参考腔可以包括固定的参考腔，并且参考腔的已知特性可以包括固定的参考腔的间隙尺寸。该方法还可以包括确定测试腔的第二特性，第二特性可以包括测试腔的速度。可以知道多个光频率的初始值在参考腔的自由光谱范围的一半内，并且可以直接根据参考腔的干涉信号确定多个光频率的值。使用确定的多个光频率的值来确定测试腔的特性可以包括使用多个光频率内的多个重叠区段的相位分析，每个区段包含覆盖可调谐激光器的带宽内的多个光频率的一部分的数据点。测试腔的速度在区段中的数据点的采样内可以是恒定的。在另一方面，一种用于表征测试腔的干涉测量系统，该系统包括具有已知特性的参考腔，在带宽内具有多个光频率的可调谐激光器，用以将可调谐激光器的带宽内的多个光频率中的每个引导至测试腔和参考腔的光学元件引导，采集系统，配置为与可调谐激光器同步，以在多个光频率中的每个处接收来自参考腔和测试腔的测量干涉信号；以及电子处理器，耦合到采集系统以接收干涉信号，并配置成根据测量的干涉信号和已知特性确定多个光频率的值。实现可以包括以下特征中的一个或多个。电子处理器还可以配置为基于测量的测试腔的干涉信号确定测试腔的特性。系统可包括一个或多个具有已知特性的附加参考腔。系统可以包括强度监视器，以补偿可调谐激光器中的高速激光强度波动。系统可以包括光纤分配器，该光纤分配器配置为将来自可调谐激光器的光分配到参考腔和测试腔。测试腔可以远离光纤分配器定位。参考腔可以具有共焦设计以使色散最小化。对于具有约350MHz的均方根光频率变化的可调谐激光器，由电子处理器确定的多个光频率的值可具有小于20MHz的不确定性。电子处理器可以配置为使用从多个光频率内的多个重叠区段的数据提取的多个光频率和相位的确定值来确定测试腔的特性，每个区段包含覆盖可调谐激光器的带宽内的多个光频率的一部分的数据点。在附图和以下描述中阐述了本专利技术的一个或多个实施例的细节。根据说明书和附图以及权利要求，本专利技术的其他特征、目的和优点将显而易见。附图说明图1A是测量系统的示意图。图1B是总结如何确定来自测试腔的特性的流程图。图2A是对于具有7mm标称间隙的、不同数量的腔，光频率不确定性作为间隙间隔的函数的曲线图。图2B是对于具有12.7mm标称间隙的、不同数量的腔，光频率不确定性作为间隙间隔的函数的曲线图。图3是超稳定的固定间隙共焦腔的示意图。图4A示出了修正之前的原始强度信号。图4B示出了校准修正后的图4A的强度信号。图5示出了在一个波长扫描中测量的光频率与预期光频率的偏差。图6A示出了使用傅立叶处理与本文公开的方法的测试腔测量的比较。图6B示出了使用本文公开的方法测量和处理的测试腔特性的展开图。图7是实验系统的仿真，示出了预期的均方根(rms)间隙性能与OFM测量的光频率中的均方根不确定性。各附图中的相同参考符号表示相同元件。具体实施方式本文公开的方法和系统允许使用扫描源的工业超高精度DMI应用。扫描源是具有带宽的可调谐激光器，在该带宽上可以进行高速扫描。高速扫描可以是波长的平滑连续变化，或者包括带宽内的一系列不同的离散频率。典型的SS-OCT分析涉及使用傅立本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于确定测试腔的特性的方法，所述方法包括：对于可调谐激光器的带宽内的多个光频率中的每个，测量来自所述测试腔和具有已知特性的参考腔的干涉信号；根据所测量的所述参考腔的干涉信号和所述参考腔的已知特性，确定所述多个光频率的值；以及使用所确定的所述多个光频率的值来确定所述测试腔的特性。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.08 US 62/347,1411.一种用于确定测试腔的特性的方法，所述方法包括：对于可调谐激光器的带宽内的多个光频率中的每个，测量来自所述测试腔和具有已知特性的参考腔的干涉信号；根据所测量的所述参考腔的干涉信号和所述参考腔的已知特性，确定所述多个光频率的值；以及使用所确定的所述多个光频率的值来确定所述测试腔的特性。2.根据权利要求1所述的方法，其中测量所述干涉信号包括贯穿扫描作为时间的函数的所述可调谐激光器的带宽内的所述多个光频率，以及对于扫描期间的多个不同时间中的每个测量所述测试腔和所述参考腔两者的干涉信号，使得在所述多个不同时间中的每个处的所测量的测试腔和参考腔的信号对应于所述可调谐激光器的带宽内的所述多个光频率中的不同光频率。3.根据权利要求1所述的方法，还包括测量来自具有第二已知特性的第二参考腔的干涉信号，其中确定所述多个光频率的值包括基于所述参考腔和所述第二参考腔的已知特性，将对于可调谐激光器的带宽内的多个光频率中的每个获得的、所测量的所述参考腔的干涉信号和所述第二参考腔的干涉信号拟合到数学模型，所述参考腔和所述第二参考腔具有不同的间隙尺寸。4.根据权利要求3所述的方法，其中拟合将所述参考腔和所述第二参考腔的测量的干涉信号包括使用所述干涉信号对数学模型的回归分析来确定所述多个光频率的值。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述数学模型包括分析函数。6.根据权利要求4所述的方法，其中确定所述多个光频率的值包括使用高斯-牛顿优化。7.根据权利要求4所述的方法，其中确定所述多个光频率的值包括使用高斯-牛顿优化，以及基于所述分析函数确定所述测量干涉信号相对于所述光频率的偏导数的雅可比行列式。8.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述多个光频率的值是基于所述多个光频率的初始估计。9.根据权利要求8所述的方法，其中使用单个参考腔，以及已知所述多个光频率在所述参考腔的自由光谱范围的一半以内。10.根据权利要求1所述的方法，其中由所述多个光频率的值的不确定性引起的所确定的所述测试腔的特性中的误差被降低。11.根据权利要求1所述的方法，其中所述特性包括所述测试腔内的间隙尺寸、所述参考腔包括固定的参考腔，并且所述参考腔的已知特性包括所述固定的参考腔的间...

【专利技术属性】
技术研发人员：LL德克，
申请(专利权)人：齐戈股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US